HyperMesh重型載貨汽車車架靜態(tài)分析

王成

摘 要：汽車工業(yè)屬于技術密集型產(chǎn)業(yè)，如何設計出性能優(yōu)越、安全可靠的產(chǎn)品，一直是各個企業(yè)不斷追求的目標。文章根據(jù)有限元理論，以某公司生產(chǎn)的工程車輛邊梁式車架為研究對象，分析其靜態(tài)特性，以期為后續(xù)的車架改進提供參考依據(jù)和思路。

關鍵詞：有限元法;重型載貨汽車;車架;靜態(tài)分析

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-086-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.029

在重載汽車中，車架尤為重要，良好的車架設計能夠以最小質量獲得良好的強度與剛度，促進車動力性能大幅提升，同時全面改善行車的安全性、可靠性，現(xiàn)已成為改善重型貨運車輛應用性能的一項熱點課題[1]。

1 重型載貨汽車車架簡介

文章研究的重型載貨汽車為某公司設計的水泥攪拌車，其車架在實際工況中承載著較大載荷，故選取了邊梁式車架，結構如圖1所示。

2 車架有限元模型建立

在HyperMesh軟件中，能夠比較簡單輕松地控制網(wǎng)格質量。通過交互式進行劃分，基于此，劃分的網(wǎng)格能夠利用調整參數(shù)的方式獲得符合要求的尺寸及分布位置。文章在綜合考慮車架尺寸等各方面因素的基礎上，將網(wǎng)格大小取值為10 mm，對于平面網(wǎng)格，自動劃分往往可以獲得良好的劃分結果。劃分后的車架有限元模型如圖1所示，此模型共包含234 437個節(jié)點、230 323個單元，車架材料選用WL510。

3 車架靜態(tài)分析

3.1 車架基本載荷的確定

分析車架受力情況過程中，第一步需要科學合理地明確車架基本載荷，其承載主要包括：發(fā)動機730 kg，駕駛室總成890 kg，變速箱190 kg，油箱及燃油370 kg，貨物12 000 kg，車架自重1 100 kg，人員180 kg，備胎140 kg等。

為了將上述載荷科學合理地分布于車架之上，應公平合理地分配載荷。在處于滿載狀態(tài)時，貨物是車架承受的重要載荷，鑒于車架的結構特征，可將貨物以均布載荷的形式進行布設[2]。在實踐中，一般會發(fā)生超載現(xiàn)象，所以文章將滿載貨物載重量的1.5倍增添至車架上，將其載荷規(guī)范合理地轉變?yōu)閴簭姡獾芈湓诟鱾€網(wǎng)格上。而變速器等相關附屬設備則直接按照集中載荷的形式進行布設，車架的自重可按照密度的大小折算至車架上，關于載荷的分布形式，如圖1所示。

3.2 約束條件

在遵循下述原則的基礎上，對模型增設合適的約束條件：確保約束充分，以此抵消結構出現(xiàn)的剛體位移;避免出現(xiàn)過約束的情形，否則會出現(xiàn)反力。

文章將為車輪施予合適的約束，即車橋部位，車橋的兩端均配備了堅固的車輪，可將其看作是剛體，所以為其添加約束是合理可行的。

3.3 滿載彎曲工況分析

為了客觀全面地評價車架剛度及產(chǎn)生于車架的應力，科學合理地明確變形及應力突變部位，需要對包括縱梁斷面處等在內(nèi)的一系列相關特征點處的擾度及應力，展開科學合理的求解，其分析結果如圖2、圖3所示。

根據(jù)變形圖能夠清晰直觀地了解到，車架最大變形為21.06 mm。其中，懸架變形尤為明顯，多達13.38 mm。由此可知，車架實際變形是7.68 mm，遠小于其容許值10 mm，這意味著車架設計剛度滿足標準，抗變形性較強。

根據(jù)圖3能夠了解到，車架的最大應力為238.1 MPa，本車架采用的是韌性強、硬度高的WL510鋼材材料，其屈服最大值為350 MPa，表明在滿載1.5倍的狀態(tài)下，車架并不符合危險工況。因此，設計滿足要求，其應力多低于52.9 MPa，車架有較大的優(yōu)化空間。

3.4 彎扭組合工況分析

汽車在正常行駛時，如果某車輪壓到障礙物或者落至某坑洞，車輪在處于懸空狀態(tài)或者被障礙物抬起時，車架勢必會產(chǎn)生一定的扭曲[3]。在彎扭組合工況下，車架受扭力的影響，無論是強度還是變形，均會發(fā)生明顯變化，這是一種相對危險的工況，其分析結果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，最大變形形成于縱梁左前部位，其變形值為25.09 mm，懸架變形14.94 mm，車架實際最大變形為10.15 mm。

根據(jù)應力分布圖5可知，應力峰值為309 MPa，出現(xiàn)于節(jié)點號為290 768的位置，即第一橫梁和車架連接的部位，其值低于屈服極限。

3.5 緊急制動工況分析

如圖6所示，車架最大變形出現(xiàn)在前端位置，這和汽車緊急制動的工況相契合，最大變形為26.2 mm。其中，懸架變形為14.1 mm，由此可推導出車架變形為12.1 mm。

根據(jù)圖7能夠了解到，受緊急制動的影響，車架應力明顯增大，彎曲程度也顯著提升，最大應力可達401.2 MPa，集中分布于吊耳模擬連周圍位置，與廠商反饋相一致。所以，應采取有效措施提高吊耳連接位置的強度。

4 結語

使用有限元法參與汽車設計，可以縮短設計周期、節(jié)約材料，在滿足各種設計指標的同時，降低車架重量?？梢栽u估多種設計方案，預測結構的剛度、強度、疲勞壽命以及可靠性等性能，從而確定最佳設計方案，這些對于改善車架設計具有重要意義。

參考文獻

[1] 梁劍.車架靜力試驗與有限元靜力分析[J].機械研究與應用，2005，22（6）：72-73.

[2] 楊永鑫，馮川.重型卡車車架有限元分析及輕量化設計分析[J].機械研究與應用，2020（6）：56-59.

[3] 智淑亞，許牧天，李繼秋.基于ANSYS的車架有限元分析[J].金陵科技學院學報，2019（9）：89-92.